Nitrificatie en denitrificatie.
Nitrificatie en denitrificatie zijn twee bacteriële processen in de stikstofkringloop. Nitrificatie zet ammonium om in nitraat onder zuurstofrijke omstandigheden; denitrificatie reduceert nitraat terug tot stikstofgas (N2) onder zuurstofarme omstandigheden. Samen sluiten ze de stikstofkringloop.
- Nitrificatie
- NH4+ → NO2− → NO3−. Aerobe oxidatie. Twee stappen, twee bacteriegroepen.
- Denitrificatie
- NO3− → NO2− → NO → N2O → N2. Anaerobe reductie. Eindproduct ontsnapt naar de atmosfeer.
- Waar
- Bodem, sediment, oppervlakte- en grondwater. Vooral bacteriën, daarnaast sommige archaea.
- Bijzaak
- Bij denitrificatie kan lachgas (N2O) lekken — een sterk broeikasgas.
Nitrificatie in detail
Ammonium (NH4+) komt in de bodem vrij door mineralisatie van organisch materiaal of via mestaanvoer. Onder zuurstofrijke omstandigheden zetten nitrificerende bacteriën dat ammonium in twee stappen om naar nitraat. Nitrosomonas en aanverwante bacteriën doen de eerste stap (NH4+ → NO2−); Nitrobacter de tweede (NO2− → NO3−). Beide groepen halen energie uit deze oxidaties — zonder licht, zonder organisch substraat.
Nitraat is goed oplosbaar in water. Daardoor is het mobiel: planten nemen het via wortels op, maar het kan ook met regen wegspoelen naar diepere bodemlagen, grondwater en oppervlaktewater. Daar ligt een directe link met eutrofiering en met de Nederlandse zorgen rond grond- en drinkwaterkwaliteit.
Denitrificatie in detail
In zuurstofarme milieus — natte bodems, slib op de bodem van meren en zee, dieper grondwater — schakelen sommige bacteriën nitraat in als alternatieve elektronenacceptor in plaats van zuurstof. Dat heet denitrificatie. NO3− wordt stap voor stap gereduceerd, via NO2−, NO en N2O, tot uiteindelijk N2. Dat gas ontsnapt naar de atmosfeer.
De reductiestappen zijn niet altijd compleet. Wanneer het proces vroegtijdig stopt, ontsnapt lachgas (N2O). Lachgas is een sterk broeikasgas, en de afkomst ervan is voor een groot deel landbouwgrond — vooral bij hoge mestgiften en natte omstandigheden.
Waar het gebeurt
In een typische, goed doorluchte tuin- of landbouwbodem domineert nitrificatie. In een drassige veenbodem of in slib van een sloot domineert denitrificatie. Op kleine schaal kunnen beide processen gelijktijdig optreden: in een aerobe bodemkruimel komt nitrificatie voor, in het anaerobe binnenste tegelijkertijd denitrificatie. Daarom kan een bodem zowel nitraat opbouwen als afgeven.
In rioolwaterzuiveringen worden beide processen bewust ingezet. Eerst wordt het afvalwater belucht zodat ammonium genitrificeerd wordt; daarna gaat het door een anaerobe stap waarin denitrificatie de stikstof als N2 de lucht in stuurt. Dat is de standaardtechniek om stikstof uit afvalwater te verwijderen.
Plek in de stikstofkringloop
De volgorde is belangrijk: stikstofbinding brengt N2 uit de lucht naar de bodem (als NH3/NH4+). Mineralisatie van dood materiaal levert opnieuw NH4+. Nitrificatie maakt er NO3− van — bruikbaar voor planten. Denitrificatie sluit de kringloop door N2 terug naar de atmosfeer te brengen.
Zonder denitrificatie zou de bodem voortdurend nitraat opbouwen tot toxische niveaus, en zou er steeds minder N2 in de atmosfeer zitten. Het is dus geen "verlies" maar een noodzakelijke sluitstap.
Menselijke invloed
De grootschalige toevoer van reactieve stikstof — kunstmest, dierlijke mest, NOx uit verkeer — verschuift de balans. Bodems en sloten verwerken meer nitraat dan ooit, en niet alle denitrificatie verloopt schoon: lachgas-emissies stijgen mee. In de Nederlandse stikstofproblematiek spelen NH3 en NOx de hoofdrol; daaromheen is het gedrag van nitrificerende en denitrificerende bacteriën in de bodem onderwerp van onderzoek bij onder andere Wageningen University & Research en NIOO-KNAW.
Verbinding met andere kringlopen
Nitrificatie en denitrificatie staan niet los. Ze zijn aerobe of anaerobe processen, dus afhankelijk van de zuurstofkringloop in de bodem. Ze interageren met de koolstofkringloop via organisch materiaal, en met de waterkringloop via uitspoeling. Een natte zomer of een droogte verschuift de balans tussen nitrificatie en denitrificatie meetbaar.